Possible criticality scenario and its mechanism of the Windscale Works criticality accident in 1970 analyzed by computational fluid dynamics and Monte Carlo neutron transport

福田 航大

Annals of Nuclear Energy, 208(1), p.110748_1 - 110748_10, 2024/12

https://doi.org/10.1016/j.anucene.2024.110748

The Windscale Works criticality accident in 1970 resulted from mixing an aqueous solution with an organic solvent with different plutonium concentrations and densities. Although this accident has been studied using improved computer capabilities in recent years, a precise criticality scenario has not yet been identified. This study aims to clarify a possible criticality scenario of the accident-the time variation of reactivity and its mechanism. The accident was simulated by combining the multiphase computational fluid dynamics solver of OpenFOAM and the delta-tracking-based Monte Carlo neutron transport code Serpent2. Consequently, the periodic uneven arrangement of fluids might have caused oscillations in neutron leakage and absorption, resulting in periodic wavy reactivity changes. Furthermore, the emulsion, which was thought to be the primary cause, might not be the dominant mechanism for reactivity change, although it contributed to the criticality of the accident.

Pearlite growth kinetics in Fe-C-Mn eutectoid steels; Quantitative evaluation of energy dissipation at pearlite growth front via experimental approaches

Zhang, Y.-J.*; 梅田 岳昌*; 諸岡 聡; Harjo, S.; 宮本 吾郎*; 古原 忠*

Metallurgical and Materials Transactions A, 55(10), p.3921 - 3936, 2024/10

https://doi.org/10.1007/s11661-024-07518-1

In this study, a series of eutectoid steels with Mn addition up to 2 mass% were isothermally transformed at various temperatures from 873 K to 973 K to clarify the pearlite growth kinetics and the underlying thermodynamics at its growth front. The microscopic observation indicates the acceleration in pearlite growth rate and refinement in lamellar spacing by decreasing the transformation temperature or the amount of Mn addition. After analyzing the solute distribution at pearlite growth front via three-dimensional atom probe, no macroscopic Mn partitioning across pearlite/austenite interface is detected, whereas Mn segregation is only observed at ferrite/austenite interface. Furthermore, in-situ neutron diffraction measurements performed at elevated temperatures reveals that the magnitude of elastic strain generated during pearlite transformation is very small.

Experimental determination of deposition velocity of CsOH aerosols on CaCO at temperature range 170 - 290C

Luu, V. N.; 中島 邦久

Nuclear Engineering and Design, 426, p.113402_1 - 113402_7, 2024/09

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2024.113402

A field assessment at the Fukushima-Daiichi Nuclear Power Station revealed high radioactivity on the concrete shield plugs, which is estimated above 20 PBq for Cs-137 at units 2 and 3. This leads to significant interest in the retention of Cs on concrete during severe accidents (SA). However, the interaction of CsOH, as one of the main Cs forms released in SA, with concrete surfaces at elevated temperatures remains poorly researched. In this study, we have experimentally investigated the deposition behavior of CsOH on CaCO, which is the primary phase existing on the surface of concrete, under humid atmosphere. As a result, the chemical reaction enhanced deposition rate (N), and increased linearly with CsOH concentration (C), as following expression: N(g/cm・s) = vC, where v is temperature-dependent deposition velocity as given by ln v (cm/s) = -3785.8/T + 3.766, for T in the range of 170 and 290 C. This empirical model can be integrated into severe accident codes to quantify the chemical trapping of cesium on concrete surfaces during ex-vessel release. Moreover, it can contribute to understanding the reasons behind the high dose rate on concrete shield plugs at the Fukushima Daiichi Nuclear power stations and aid in developing effective decommissioning practices for concrete structures.

Analytical studies on effects of wind on dispersion of hydrogen leaked in a partially open space

寺田 敦彦; 永石 隆二

Journal of Nuclear Science and Technology, 61(8), p.1135 - 1154, 2024/08

https://doi.org/10.1080/00223131.2024.2302540

天井と側面に換気口を設けた部屋の床面から漏洩した水素の挙動について、CFD解析を用いて実験結果との照合を行うことで、部屋周囲の風況による影響を明らかにした。室内の水素濃度の経時変化は、天井と床面付近の間で成層化がみられ、計算結果については局所的な流れ場の特性変化を反映できる乱流モデルと比較的大きな乱流シュミット数(1.0)を組み合わせた場合に実験結果の再現性が向上した。風況によって、室内に水素が滞留したケースについて、天井開口部にシンプルな板を設置することで換気の改善が図れることを示した。

バックエンド技術部年報(2022年度)

バックエンド技術部

JAEA-Review 2024-004, 124 Pages, 2024/07

JAEA-Review-2024-004.pdf:3.39MB

本報告書は、日本原子力研究開発機構原子力科学研究部門原子力科学研究所バックエンド技術部における2022年度(2022年4月1日から2023年3月31日まで)の活動をまとめたものであり、所掌する施設の運転・管理、放射性廃棄物の処理・管理、施設の廃止措置に関する業務、これらに関連する技術開発及び研究成果の概要を取りまとめた。2022年度の放射性廃棄物の処理実績は、可燃性固体廃棄物が約262m、不燃性固体廃棄物が約113m、液体廃棄物が約203m(希釈処理約72mを含む)であった。新たな保管体の発生数は、200Lドラム缶換算527本であった。公益社団法人日本アイソトープ協会への保管体の返還作業及び保管廃棄していた廃棄物の減容処理を行うことにより、保管体数の削減に取り組んだ結果、最終的に2022年度末の累積保管体数は2021年度から3,902本減の122,925本となった。保管廃棄施設・Lの保管体健全性確認作業は、本格運用を継続して実施した。また、放射性廃棄物処理場が新規制基準に適合していることの確認を受けるため、設計及び工事方法の認可申請を原子力規制庁に対し、順次、実施した。廃止措置に関しては、再処理特別研究棟において、機器の撤去等を実施した。バックエンドに関連する研究・技術開発においては、廃棄物放射能評価法の構築に向けて、採取した廃棄物試料の放射能分析を実施した。また福島第一原子力発電所事故に伴い発生した除去土壌の埋立処分に関する実証事業について、埋立完了後のモニタリングを継続した。

Mechanical properties of base metal and heat-affected zone in friction-stir-welded AA6061-T6 at ultra-low temperature of 20 K

Nguyen, T.-D.*; Singh, C.*; Kim, Y. S.*; Han, J. H. *; Lee, D.-H.*; Lee, K.*; Harjo, S.; Lee, S. Y.*

Journal of Materials Research and Technology, 31, p.1547 - 1556, 2024/07

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.06.165

This study investigates the mechanical properties of a friction-stir-welded (FSW) AA6061-T6 aluminum alloy at ultra-low temperature (ULT) of 20 K. In-situ neutron diffraction and orientation imaging microscopy were employed to compare the tensile deformation behavior of the base metal (BM) and heat-affected zone (HAZ) in the FSW aluminum plate. The results demonstrate that compared to room-temperature (RT), ULT induces a significant improvement in tensile strength and ductility in both the BM and HAZ. The enhanced mechanical properties in BM at ULT result from a more homogeneous deformation than occurs at RT. On the other hand, HAZ at ULT exhibits an even lower yield strength than at RT, but the strain hardening rate (SHR) is the most significant among the alloys, leading to a tensile strength of 346 MPa and the highest ductility of 46.8%. The lowest yield strength corresponds to the lowest-hardness zones in HAZ, caused by dissolved/coarsened precipitates during the FSW process.

Evaluation of radiation dose caused by bremsstrahlung photons generated by high-energy beta rays using the PHITS and GEANT4 simulation codes

志風 義明

Journal of Nuclear Science and Technology, 61(7), p.894 - 910, 2024/07

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2285934

福島第一原子力発電所事故により原子炉建屋内で放出された放射性核種のうち、SrやY等の高エネルギー線源は、壁、床、壁や内部構造などの建屋の物質中で制動放射光子を発生させる。したがって、原子炉建屋の作業員に対する制動放射の放射線量を評価することは、放射線防護にとって極めて重要である。制動放射線量の評価計算の精度を、粒子重イオン輸送コードシステム(PHITS)とGEometry AND Tracking(GEANT4)シミュレーションコードの結果を比較することにより調査した。計算では、様々な遮蔽板(鉛、銅、アルミニウム、ガラス、ポリエチレン、厚さは1.040mm)の背後にある水円筒を評価材料として設定し、制動放射光子による吸収線量及び付与エネルギースペクトルを得て、両シミュレーションコードの特性と差異を調査した。付与エネルギースペクトルの比較結果では、スペクトル形状には矛盾しない同様の傾向がある。数十keV以下のエネルギー範囲では、鉛遮蔽物質のPHITSのスペクトルにピークが見られる。制動放射光子を発生させるための遮蔽板の様々な条件下での吸収線量を比較すると、両コードのほとんどの結果は、2.280MeV線源については約10%差以内、0.5459MeV線源については20mm厚の鉛の場合の約30%を除いて約20%差以内で相関している。場合によっては差異はあるが、2つのシミュレーションコードの評価結果は上記の精度で良く相関していると結論付けられた。

Measurement of the response of a Li-glass detector to gamma rays by a coincidence method

伊藤 史哲*; Lee, J.; 弘中 浩太; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 持丸 貴則*; 堀 順一*; 寺田 和司*; 小泉 光生

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1064, p.169465_1 - 169465_9, 2024/07

https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169465

The response of a gamma-ray spectrometer is generally determined by analyzing full-energy peaks. However, full-energy peaks cannot be measured easily in the case of scintillation detectors that consist of light elements, such as glass scintillators. Only a strong Compton plateau appears in the spectrum of such detectors. Therefore, Compton edgers were used to evaluate the response of these detectors. The response of a low-resolution Li-glass detector to gamma rays was measured for the first time by a coincidence method with a high-resolution LaBr:Ce detector using cascade gamma rays (2.75 and 1.37 MeV) from a Na source. Coincidence gates were applied at the peaks of the spectrum of the LaBr:Ce detector at the 0.51 MeV annihilation peak, and the sum peaks of a gamma ray and a backscattered gamma ray. By analyzing the gated spectra of the Li-glass detector, the energy-dependent detector response (i.e., the output strength and its dispersion) was determined.

シビアアクシデント統合評価解析コードSPECTRAを用いた炉心損傷解析

石田 真也; 内堀 昭寛; 岡野 靖

第28回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 4 Pages, 2024/06

本研究では、炉心損傷事故の起因過程から遷移過程までの一貫解析も可能な炉心損傷挙動評価モジュールの開発を行い、ナトリウム冷却高速炉のシビアアクシデント時の原子炉全体の挙動を一貫して評価する解析コードSPECTRAに導入した。本モジュールを含むSPECTRAの統合的な妥当性確認の一環として、混合酸化物(MOX)燃料炉心における炉心流量喪失時原子炉停止機能喪失事象(ULOF)を対象とした解析を実施し、冷却材の沸騰から燃料ピンの破損、損傷領域の拡大に至るまでの高速炉の炉心損傷事故を評価するための機能がSPECTRAに備わっていることを確認した。

建屋応答モニタリングと損傷イメージング技術を活用したハイブリッド型の原子炉建屋長期健全性評価法の開発研究(委託研究); 令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東北大学*

JAEA-Review 2023-048, 151 Pages, 2024/05

JAEA-Review-2023-048.pdf:8.48MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。本研究は、令和3年度に採択された研究課題のうち、「建屋応答モニタリングと損傷イメージング技術を活用したハイブリッド型の原子炉建屋長期健全性評価法の開発研究」の令和4年度分の研究成果について取りまとめたものである。